Skip to main content
17 мая, 2024

Расчёт прочности стальной сваи в Логос Прочность

В Мае 2024 года компания ООО «ИскраТех» выполнила прочностной расчёт стальной сваи в соответствии с СП 24.13330.2021 по первому предельному состоянию.

Заказчиком выступил Завод свайных конструкций, который занимается промышленным изготовлением и монтажом свайно-винтовых фундаментов любой сложности. Винтовые сваи, производимые заводом, служат надежной основой для различных строений. ООО «ЗСК» гордится своими достижениями, ведь его продукция уже многие годы востребована среди профессиональных строителей.

Цель и задачи проекта

Целью работы является проведение расчётов статической прочности стальной сваи, изготовленной из стали 09Г2С. Необходимо определить напряженно-деформированное состояние при эксплуатационных нагрузках по первому предельному состоянию, включая крутящий момент. 

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить статический расчет прочности при воздействии эксплуатационных нагрузок по первому предельному состоянию.

Реализация проекта

На рисунке 1 представлена геометрическая модель сваи размером 219мм х 14мм х 14000мм. Модель построена в программном комплексе ЛОГОС Прочность (разработчик РФЯЦ-ВНИИЭФ). Модель поделена на 2 части для удобства приложения нагрузок и граничных условий.

Геометрическая модель сваи
Рисунок 1. Геометрическая модель сваи

Расчеты проводились методом конечных элементов для чего была построена дискретная (конечно-элементная) модель (Рисунок 2). Модель разбита гексаэдрическими элементами. Общее количество элементов 441 600. На рисунке 3 представлена гистограмма распределения показателя качества сетки, что соответствует высокому качеству. 

Рисунок 2. Дискретная модель сваи
Рисунок 3. Гистограмма критерия качества дискретной модели
Нагрузки 

С учетом требований были определены нагрузки и граничные условия модели. В качестве нагрузки принято следующее (Рисунок 4): 

  • Вдавливающая нагрузка: 325,3 кН 
  • Боковая по X: 63,5 кН 
  • Боковая по Y: 55,9 кН 
  • Собственный вес ростверка: 15,8 кН 
  • Крутящий момент (относительно оси Z глобальной системы координат): 155 кНм 
Рисунок 4. Нагрузки, приложенные к свае
Граничные условия

В качестве граничных условия использовалась заделка сваи на расстоянии 3,245 м от подошвы ростверка (Рисунок 5).  Данная величина определена в соответствии со СП 24.13330.2021 п 7.1.7 по зависимости:

где  — длина участка сваи от подошвы высокого ростверка до уровня планировки грунта, м; 

 — коэффициент деформации, 1/м. 

Коэффициент деформации определен по следующей зависимости СП 24.13330.2021:

где 𝐾 = 8 000 — коэффициент пропорциональности, ; 

 = 0,8285 – условная ширина сваи, м; 

𝐸 = 210 000 000 — модуль упругости материала сваи, кПа. 

𝐼 = 0,0000475 – момент инерции сечения сваи, . 

Рисунок 5. Граничное условие заделки
Критерии прочности

Прочность сваи определялась путем сравнения расчетных эквивалентных напряжений по Мизесу с пределом текучести материала. Конструкция выполнена из стали 09Г2С, механические характеристики которой приведены в Таблице 1. 

Временное сопротивление
разрыву основного металла
σВ, МПа, не менее 
Предел
текучести σ0.2,
МПа, не менее 
Модуль упругости,
ГПа 
Коэффициент
Пуассона 
432 245 210 0,3 

Таблица 1 – Механические характеристики стали 09Г2С до 425º С 

Результаты проекта

Расчет проводился методом конечных элементов в ЛОГОС Прочность (разработчик РФЯЦ-ВНИИЭФ) в статической нелинейной постановки. При расчете учитывалась нелинейная жесткость системы. Материал описывался как идеально упруго-пластический. 

На рисунке 6 представлены поля полных перемещений. Максимальные перемещения не превышают 9,1 мм.

Поля полных перемещений, м
Рисунок 6. Поля полных перемещений, м

На рисунке 7 представлены поля эквивалентных напряжений по Мизесу. Максимальное значение не превышает 181 МПа, что меньше предела текучести материала. Следовательно прочность сваи обеспечена. Коэффициент запаса по пределу текучести 1,35. 

Поля эквивалентных напряжений по Мизесу, Па
Рисунок 7 . Поля эквивалентных напряжений по Мизесу, Па

Заключение

В отчете проекта представлены результаты расчета напряженно-деформированного состояния металлической трубы сваи при эксплуатационных нагрузках, включая крутящий момент. На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы: 

  • Максимальные эквивалентные напряжения по Мизесу не превышают предела текучести материала. 
  • Коэффициент запаса по пределу текучести равен 1,35. 
  • Прочность сваи обеспечена.
Список литературы
  1. СП 24.13330.2021 Свайные фундаменты (Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85). 
  2. Зубченко А.С. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 2003. — 784 c. 
  3. Басов К.А., ANSYS. Справочник пользователя. М.: ДМК Пресс, 2014. – 640 с. 

Благодарственное письмо от ООО «ЗСК»